综述：壳聚糖基纳米颗粒在药物递送和生物传感应用中的全面探索

《Biotechnology for Sustainable Materials》：A comprehensive exploration of Chitosan-based nanoparticles for drug delivery and biosensing applications

本综述系统阐述了壳聚糖（CS）这一生物高聚物因其生态友好、可持续性和生物相容性特性，在药物递送和生物传感领域的巨大应用潜力。文章详细介绍了壳聚糖纳米颗粒（CNPs）的多种制备方法（如喷雾干燥、静电喷雾等），并重点探讨了其在癌症治疗（如结直肠癌、乳腺癌）、糖尿病管理（如胰岛素控释）、抗菌活性及生物传感（如检测SARS-CoV-2刺突糖蛋白、多巴胺）等方面的最新研究进展，凸显了CNPs作为高效纳米载体的优势与未来挑战。

　　

壳聚糖（CS）作为一种源于甲壳素脱乙酰化的天然阳离子多糖，凭借其卓越的生物相容性、可生物降解性、低毒性以及易于修饰的化学结构，已成为生物材料领域一颗耀眼的明星。壳聚糖纳米颗粒（CNPs）更是将这些优势发挥到了纳米尺度，在药物递送和生物传感等生命科学与健康医学领域展现出广阔的应用前景。

壳聚糖纳米颗粒的制备

CNPs的成功应用离不开其多样化的制备工艺。研究人员开发了多种方法来合成具有特定尺寸、形貌和功能的CNPs。

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  喷雾干燥法：通过将壳聚糖溶液雾化成微小液滴并快速干燥，可制备粒径在95-358纳米范围内的CNPs。此法获得的颗粒具有高zeta电位（约45.7 mV），有利于其与细胞膜的相互作用。
  
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  自上而下法：利用高能球磨机将大尺寸的壳聚糖材料破碎成纳米颗粒。通过调控球磨时间和球的大小，可以获得粒径在248.84至677.16纳米之间的CNPs，产率高达95%以上。
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  静电喷雾法：该方法利用高压电场将壳聚糖溶液破碎成带电荷的微滴，进而形成干燥的微球或纳米球。在优化条件下（如2% w/v CS, 70% v/v 乙酸，流速0.2 mL/h），可获得平均尺寸约为128纳米的球形颗粒。
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  绿色合成法：为减少传统化学交联剂（如三聚磷酸钠，TPP）可能带来的生物特性变异，研究人员开发了更环保的合成路线。例如，利用茶树（Camellia sinensis）叶提取物中的多糖与壳聚糖溶液反应，可以成功制备出单分散性良好、粒径约为118.7纳米的CNPs。

此外，离子交联法、微乳液法、反向胶束法等也是常用的CNPs制备技术。每种方法各有优劣，例如自上而下法通常需要额外的载药步骤，而绿色合成法则在环境友好性和经济性方面更具优势。

CNPs在药物递送领域的应用

CNPs的特性使其能够实现靶向给药，提高治疗效果，并克服传统给药方式的局限性。

癌症治疗

CNPs在靶向递送抗癌药物方面显示出巨大潜力。

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  结直肠癌：研究人员制备了壳聚糖包覆的磁性纤维素纳米晶（CH/MCNW），用于负载抗癌药5-氟尿嘧啶（5FU）。形成的CH/MCNW/5FU纳米复合材料在二维单层和三维球体模型中均显示出对结直肠癌细胞的强杀伤作用，表明其具有优异的肿瘤穿透能力。
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  乳腺癌：基于壳聚糖/透明质酸与κ-卡拉胶复合的磁性纳米载体被用于负载阿霉素（DOX）。该载药系统在酸性环境（pH 5.5）中表现出显著的溶胀和药物释放行为（84.1%），而对正常细胞毒性较低，实现了pH刺激响应的持续给药。
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  肺癌：针对肺癌，科学家开发了叶酸和西妥昔单抗（靶向EGFR）双受体靶向的壳聚糖纳米颗粒，用于递送多西他赛（DXL）。与纯药相比，双配体修饰的CNPs对A549细胞的半数抑制浓度（IC₅₀）降低了34倍，并显示出更高的细胞摄取率，实现了对癌细胞的精准打击。
  
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  胃癌：羧甲基壳聚糖（CMCS）与去甲斑蝥素（NCTD）的聚合物-药物偶联物（CNC）在体内外实验中均表现出比游离NCTD更强的抗胃癌活性，其作用机制与下调CD34、VEGF等因子表达有关。

糖尿病治疗

CNPs为糖尿病及其并发症的管理提供了新策略。

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  糖尿病治疗：采用微流控技术合成的负载二甲双胍（MET）的羧甲基壳聚糖纳米颗粒（CMCS NPs），在糖尿病大鼠模型中能使血糖水平降低43.58%，并显著改善胰腺胰岛和β细胞的状态。
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  胰岛素控释：将负载胰岛素的壳聚糖-三聚磷酸盐（TPP）纳米颗粒（CNPs）进一步包封在海藻酸钙微球中，构建了口服胰岛素递送系统。该体系能在糖尿病小鼠模型中持续降低血糖水平达100小时，实现了胰岛素的口服高效递送。
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  糖尿病伤口愈合：将阿魏酸（FA）负载于CNPs并嵌入水凝胶中，用于治疗糖尿病伤口。优化后的FA-CNPs粒径约为56.9纳米，包封率达90.3%。该体系能有效应对高糖环境下的氧化应激，促进伤口愈合。
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  保护心脏细胞：在链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠模型中，CNPs能通过提升超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和核因子E2相关因子2（Nrf2）的水平，降低乳酸脱氢酶（LDH）、肌酸激酶同工酶（CK-MB）、丙二醛（MDA）和Caspase-3的表达，从而减轻氧化应激和细胞凋亡，对糖尿病导致的心脏细胞损伤起到保护作用。
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  减轻心肝损伤：壳聚糖稳定的硒纳米颗粒（CNPs-Se）与二甲双胍（MET）联用，在2型糖尿病（T2DM）大鼠模型中能更有效地改善胰岛素水平、肝脏损伤和心脏损伤标志物。

抗菌活性

随着多药耐药菌的出现，CNPs的抗菌特性备受关注。其作用机制主要包括：带正电的壳聚糖与带负电的细菌细胞膜相互作用，改变膜通透性，导致细胞内容物泄漏；以及壳聚糖作为螯合剂，结合微生物生长所需的微量元素。

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  眼部感染：负载克拉霉素（CTM）的CNPs用于治疗眼部感染，其粒径为152±5纳米，在12小时内能持续释放82.98%的药物，角膜渗透性提高了2.7倍，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）均表现出良好的抗菌活性。
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  抗淋病奈瑟菌：制备的CNPs对多种淋病奈瑟菌（N. gonorrhoeae）菌株，包括多重耐药菌株，均显示出抗菌活性，最小抑菌浓度（MIC₉₀）为0.16-0.31 mg/mL，并能减少细菌对宿主细胞的粘附。
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  抗牛乳腺炎病原体：与天然壳聚糖相比，CNPs对引起牛乳腺炎的金黄色葡萄球菌和凝固酶阴性葡萄球菌具有更低的最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC），并能有效抑制生物膜的形成。
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  广谱抗菌：将荨麻精油（NEO）或丁香油（CEO）包封在CNPs中，能显著提高这些精油的抗氧化活性和对多种病原菌（如金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌）的抑制效果。

其他应用

CNPs的应用远不止于此。

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  皮肤组织再生：负载阿洛辛（aloesin）的壳聚糖/纤维素支架能持续释放药物，显著促进成纤维细胞增殖和全层皮肤伤口的愈合，表现出优异的生物相容性和促愈合能力。
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  阿尔茨海默病治疗：通过离子交联法制备的负载利凡斯的明（RHT）的CNPs，经鼻内给药后可绕过血脑屏障，实现药物向大脑的高效递送，为阿尔茨海默病（AD）的治疗提供了新途径。
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  抗炎给药：将负载地塞米松（DEX）的CNPs嵌入丝素蛋白水凝胶（SFH）中，可在16天内实现药物的持续释放，符合一级释放动力学模型，适用于抗炎治疗。
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  特应性皮炎：基于壳聚糖和海藻酸寡糖（AOS）的纳米颗粒用于他克莫司（TAC）的透皮给药，能有效增加药物在皮肤中的积累，降低模型大鼠的炎症指标，对特应性皮炎（AD）具有治疗潜力。
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  青光眼治疗：壳聚糖寡糖（CSO）-葡聚糖硫酸盐（DS）交联纳米颗粒用于多佐胺（DRZ）的眼部给药，能显著降低眼内压（降低41.56%）并持续10小时，且无刺激性，适用于青光眼治疗。

CNPs在生物传感中的应用

生物传感器结合了生物分子的选择性和现代电子技术的信号处理能力，CNPs在其中扮演着重要角色。壳聚糖可作为固定生物分子（如酶、抗体、DNA）的基质，或与其他导电材料（如金属纳米颗粒、碳纳米管）结合以提高电子传递效率。

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  检测SARS-CoV-2刺突糖蛋白：基于L-半胱氨酸包覆的Fe₃O₄纳米颗粒嵌入壳聚糖-多壁碳纳米管（CS-MWCNT）基质的新型纳米复合材料，被用于构建检测SARS-CoV-2刺突糖蛋白的免疫传感器。该传感器线性范围宽（1 pg/mL - 1 μg/mL），检测限低至0.932 pg/mL，显示出高灵敏度和特异性。
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  多巴胺生物传感：利用壳聚糖稳定的碘化铜纳米颗粒（CS@CuI NPs）作为基底，固定酪氨酸酶（Tyr），构建了用于检测多巴胺的生物传感器。该生物电极对多巴胺表现出极高的电化学灵敏度（11.64 μA/μM cm²），检测限为0.02 μM，稳定性好，可用于神经退行性疾病的早期诊断。
  
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  血液乳酸测定：采用壳聚糖/四氧化三铁纳米颗粒/羧化多壁碳纳米管（CHIT/Fe₃O₄NPs/c-MWCNTs）纳米杂化材料修饰的金电极，固定乳酸氧化酶（LOx），制得的生物传感器反应快（4秒），检测线性范围宽（1-3000 μM），可用于乳酸酸中毒患者的血浆乳酸水平检测。
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  组胺检测：基于屏幕印刷碳电极，修饰普鲁士蓝（PB）/多壁碳纳米管，并覆盖壳聚糖-金纳米颗粒混合冷冻凝胶（CS-AuNPs Cry）层，固定二胺氧化酶（DAO），构建的酶生物传感器可用于检测虾和鱼中的组胺含量，线性范围良好。
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  大肠杆菌检测：多粘菌素B（PolyB）功能化的壳聚糖包覆磁性纳米珠（PolyB-CS-MNBs）能高效捕获唾液中的革兰氏阴性菌（如大肠杆菌E. coli），结合PCR技术，可将检测灵敏度提高1000倍，用于牙周病的诊断。

CNPs的毒性考量

尽管壳聚糖通常被认为是安全有效的，并且已获得美国FDA的GRAS（一般认为安全）认定，但关于CNPs毒性的研究结果并不一致。一些研究表明，CNPs对细胞系和斑马鱼胚胎可能产生毒性作用，如导致孵化率降低、死亡率升高和发育缺陷。然而，也有许多研究报道特定条件下制备的CNPs（如TPP-吐温80 CNPs、TPP CNPs负载利福平、壳聚糖-羧甲基壳聚糖复合纳米颗粒负载阿霉素）在体内外实验中表现出良好的生物相容性和低毒性。因此，在CNPs走向商业化应用之前，对其毒性、降解行为以及长期生物效应进行更深入、全面的评估至关重要。

结论与展望

壳聚糖及其纳米颗粒在药物递送和生物传感领域展现出的巨大潜力令人鼓舞。通过持续的制备工艺优化和功能化修饰，CNPs有望在下一代生物传感器、多功能纳米载体、个性化医疗和基因治疗等方面发挥更重要的作用。未来的研究应更加关注CNPs的生物安全性，并致力于开发真正可持续、可降解的纳米结构，以推动这一优秀生物材料最终成功转化为造福人类的临床应用产品。